Direkt zum Inhalt

Tektonik: Wie der Mantel die Erde formt

Gebirge entstehen, wenn Kontinente kollidieren. Doch es gibt noch einen anderen, subtilen Mechanismus, der die Erdoberfläche hebt und senkt.
Gebirge SatellitLaden...
Die Gebirge der Erde verdanken ihre Gipfel dem Auftrieb – wie Eisberge schwimmen die Krustenplatten der Erde auf dem zähflüssigen Mantel, und wo sie dicker und leichter sind, da ragen sie höher auf, während die schweren, dünnen Gesteine der Ozeanböden tiefer in den Erdmantel einsinken.

Doch neben diesem isostatischen Gleichgewicht bestimmt auch eine andere Kraft die Form der Kontinente: das Brodeln des Erdmantels selbst. Wo heißes Material aus den Tiefen der Erde aufsteigt, drückt es die Gesteinskruste aufwärts, wo es absinkt, zieht es auch die Oberfläche mit sich.
Höhen und TiefenLaden...
Höhen und Tiefen | Gebirge und Senken an der Erdoberfläche können auf zwei Arten entstehen. Das linke Bild zeigt die Entstehung der dynamischen Topografie durch Vorgänge im Mantel. Rechts der Mechanismus der klassischen Plattentektonik.
Die Effekte dieser dynamischen Topografie allerdings sind nicht einfach zu entdecken. Ihre Amplitude ist deutlich kleiner als die der isostatischen Topografie – maximal 1000 Meter –, während sich gefaltete Erdplatten kilometerhoch aufeinanderstapeln lassen. Außerdem hebt der Mantel die Kruste über hunderte oder tausende Kilometer hinweg gleichmäßig an oder senkt sie ab – schroff aufragende Gebirge entstehen auf diese Weise nicht.

Trotzdem haben auch diese milden Gewalten großen Einfluss auf das Antlitz der Erde. Starke Verschiebungen der Küstenlinie ohne tektonische Ursache führten Wissenschaftler bislang auf Meeresspiegelschwankungen zurück, doch neuerdings deutet vieles darauf hin, dass Mantelströme oft die Ursache waren.

Anhand fossiler Strände und Küsten konnte zum Beispiel ein Team um Benjamin Guillaume von der Universität Toulouse 2009 nachvollziehen, wie die Südamerikanische Platte über einen Aufstrom im Mantel hinwegfuhr und die von ihm ausgelöste Wölbung über den Kontinent wanderte.

Noch deutlicher sind derartige Spuren in Australien, dem tektonisch ruhigsten aller Kontinente. Dort überlagert seit Jahrmillionen keine Gebirgsbildung mehr das Wirken des Auf und Ab im Mantel, so dass man hier die dynamische Topografie besonders gut beobachten kann. Die Australische Platte bewegt sich derzeit schnell nach Norden, direkt über einen starken Mantelabstrom, der ihren Nordrand in die Tiefe zieht. Dadurch ist der gesamte Kontinent gekippt – im Norden drang das Meer während dieses Vorgangs tief in den Kontinent ein, im Süden wich es zurück.
Globale Karte der dynamischen TopographieLaden...
Die dynamische Topografie | Die dynamische Topografie der Erdoberfläche hängt mit Auf- und Abströmen von Mantelmaterial zusammen. Deutlich zu erkennen ist zum Beispiel aufsteigendes heißes Gestein, das die Öffnung des Ostafrikanischen Grabenbruchs und des Roten Meers antreibt.
Solche Kippbewegungen scheinen nicht ungewöhnlich für Kontinente zu sein. Meistens jedoch hängen sie mit aktiven Subduktionszonen zusammen, die Materialströme im Mantel nach unten ablenken. Taucht der Meeresboden dort steil in den Mantel ab, konzentriert er den Abstrom auf einen kleinen Bereich vor der Subduktionszone und erzeugt einen tiefen untermeerischen Graben. Ragt die Platte flacher ins Erdinnere, saugt das sinkende Material auch am Kontinent selbst und kippt ihn über Bereiche von tausenden Kilometern.

Diese vorübergehende Schieflage schlägt sich auch in geologischen Schichten nieder. Lange rätselten Geologen über leicht geneigte Sedimentlagen aus der Kreidezeit, die große Bereiche des nordamerikanischen Kontinents überziehen. Inzwischen gilt als gesichert, dass eine frühere Subduktionszone den Kontinent gekippt hatte, als sich diese Sedimentkeile bildeten. Ähnliche Ablagerungen fanden Wissenschaftler auf vielen Kontinenten.

Diese vergleichsweise schwachen und vergänglichen Effekte des Mantelbrodelns näherungsweise zu messen, ist nur möglich, indem man aus der gemessenen Topografie die Effekte der Tektonik herausrechnet und betrachtet, was übrig bleibt. Dazu muss man nicht nur wissen, wie dick Kruste und Lithosphäre an einer gegebenen Stelle sind, sondern zusätzlich Annahmen über Dichte und Temperaturverlauf machen, die nicht selten schwer zu bestimmen sind.

Kontinente zum Beispiel sind an Gebirgen stark verdickt. Sie ragen tief in den Mantel hinein und hoch über die Erdoberfläche auf. Im Fall der Ozeanböden dagegen, die über große Bereiche gleich dick sind, hängt die Topografie zum Beispiel weit gehend von der Temperatur ab. Nahe der Mittelozeanischen Rücken, wo die Kruste jung und heiß ist, ragt der Meeresboden hoch auf, während er mit zunehmender Abkühlung tiefer in den Mantel einsinkt. Doch derart einfache Abhängigkeiten sind selten. Im Fall des Meeresbodens gelten sie schon bald nicht mehr – ab einer gewissen Entfernung vom Rücken sinkt die Platte nicht mehr so tief in den Mantel, wie sie sollte. Der Grund ist noch völlig unklar. Wissenschaftler vermuten einen Zusammenhang mit den großen Sedimentmengen, die sich am Ozeanboden ansammeln und die Wärme möglicherweise in der sich abkühlenden Platte stauen.

Ob derartige Sedimentations- und Erosionseffekte an der äußersten Kruste die Prozesse tief im Mantel beeinflussen, ist eine der großen noch ungeklärten Streitfragen. Möglich ist, dass der Druck der aufgewölbten Oberfläche auf das Tiefengestein zurückwirkt und dessen Strömungsverhalten ändert, sobald Wind und Wetter genug Material abgetragen haben. Nach einer Veröffentlichung von Giampiero Iaffaldano und Hans-Peter Bunge von der LMU München gibt es Indizien dafür, dass solche Prozesse auch die Bewegung ganzer Kontinentalplatten beeinflussen.

Doch bevor es Antworten auf diese Fragen gibt, fehlen noch viele Daten. Speziell im Pazifik können die wenigen verstreuten Seismometer Strukturen im Mantel nur mit Auflösungen über 500 Kilometer abbilden – viel zu schlecht, um Aussagen über dynamische Vorgänge zu machen. In besser erforschten Regionen jedoch bilden die Forscher Mantelprozesse bereits im Computermodell ab und berechnen sie rückwärts in die Vergangenheit. Nach einem solchen Modell von Seismologen am California Institute of Technology zog vor 100 Millionen Jahren eine Abwärtsströmung den Westen Nordamerikas in die Tiefe, bis es hunderte Meter unter dem Meeresspiegel lag.

Lesermeinung

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

  • Quellen
Braun, J.: The many surface expressions of mantle dynamics. In: Nature Geoscience 10.1038/ngeo1020, 2010

Partnerinhalte